"Химия", Кузнецова Н.Е., Титова И.М., Гара Н.Н.
Халькогены — элементы 16-й группы: кислород, сера, селен, теллур и полоний. Их сходное положение в периодической системе связано с особенностями строения атомов, но не означает одинаковой роли в организме. Кислород входит в состав воды и многих веществ и нужен для клеточного дыхания; сера встречается в некоторых аминокислотах и белках. Селен необходим в малом количестве, а его недостаток и избыток могут навредить. Для теллура и полония полезную функцию в организме не установили.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Халькогены — элементы 16-й группы периодической системы; к ним относят кислород, серу, селен, теллур и полоний. Такое название объединяет элементы по их положению в таблице, а не по одинаковому действию на организм. Это понятие помогает сравнивать элементы с похожим строением атомов. При этом биологические свойства каждого из них нужно рассматривать отдельно.
Биогенные элементы — химические элементы, необходимые организмам для построения веществ и протекания жизненных процессов. Одни из них входят в состав клеток и тканей, другие участвуют в работе систем организма. Понятие помогает отличать элементы, действительно необходимые живым существам, от тех, чьё присутствие не означает пользы. Кислород, сера и селен имеют разные биологические роли.
Микроэлементы — элементы, которые нужны организму в очень малых количествах. Селен служит примером микроэлемента: его небольшое количество необходимо для работы некоторых белков и ферментов. Этот термин напоминает, что потребность в веществе не означает необходимости получать его много. Для микроэлементов важен подходящий диапазон количества.
Биологическая функция элемента — его роль в составе веществ организма или в обеспечении процессов жизнедеятельности. Например, элемент может входить в состав белка или быть необходимым для работы клетки. Это понятие позволяет описывать, что именно делает элемент в организме, а не только перечислять его присутствие. Оно также помогает сравнивать элементы, не перенося функции одного на другой.
Кислород, сера, селен, теллур и полоний находятся в одной группе, потому что их внешнее электронное строение имеет общие черты. Электроны внешнего уровня участвуют во взаимодействиях атома с другими атомами, поэтому сходство строения влияет на некоторые химические свойства. Однако число электронных оболочек и свойства атомов у элементов различаются. В организме действуют не только свойства группы, но и конкретные взаимодействия каждого элемента с молекулами, поэтому общей биологической функции для всех халькогенов нет.
Кислород важен не только как участник клеточного дыхания. Его атомы входят в молекулы воды, а вода составляет среду, в которой происходят многие процессы в клетках. Кислород также является частью множества других веществ организма, поэтому его роль связана с самим составом тканей и клеток. Кроме того, при клеточном дыхании он необходим для получения клетками энергии из питательных веществ.
Сера встречается в составе некоторых аминокислот — молекул, из которых построены белки. Если аминокислота содержит серу, то этот элемент оказывается и в белке, собранном из таких аминокислот. Состав и строение белков связаны с их свойствами, поэтому присутствие серы имеет значение для работы организма. Роль серы следует связывать именно с определёнными веществами, а не считать, что она выполняет все те же задачи, что кислород.
Селен нужен в небольшом количестве, поскольку он входит в состав некоторых белков и ферментов. Ферменты — белки, которые помогают протекать химическим реакциям в организме. Если селена не хватает, работа зависящих от него веществ может нарушаться; слишком большое количество тоже способно причинить вред. Следовательно, для организма имеет значение не просто наличие микроэлемента, но и его количество.
Теллур и полоний принадлежат к той же группе, но необходимую функцию в организме для них не устанавливают. Сходство внешнего электронного строения не доказывает, что живым существам нужны все элементы группы. Кроме того, некоторые соединения теллура и полония могут быть токсичны, то есть вредны для организма. Поэтому биологическую роль элемента подтверждают конкретными данными о его участии в процессах, а не аналогией с соседями по группе.
Таблица помогает сопоставить, в каких формах халькогены встречаются в организме и какую роль им приписывают. Сначала сравните указанные вещества и функции, затем обратите внимание на оговорки о количестве и возможной токсичности. Так легче увидеть, что принадлежность к одной группе не делает элементы взаимозаменяемыми.
| Элемент | Примеры нахождения или формы в организме | Биологическая роль | Что важно учитывать |
|---|---|---|---|
| Кислород | Вода, многие вещества организма | Входит в состав веществ; необходим для клеточного дыхания | Его роль не ограничивается дыханием |
| Сера | Некоторые аминокислоты и белки | Связана с составом белков и их работой | Присутствует не во всех аминокислотах |
| Селен | Некоторые белки и ферменты | Участвует в обеспечении их работы | Нужен в малых количествах; избыток вреден |
| Теллур | Не установлен необходимый компонент организма | Необходимую функцию не устанавливают | Соединения могут быть токсичны |
| Полоний | Не установлен необходимый компонент организма | Необходимую функцию не устанавливают | Соединения могут быть токсичны |
Задача 1. Объясните, почему кислород относят к жизненно важным элементам, указав две его роли в организме.
Сначала определим, какие виды роли нужно назвать: кислород может быть частью веществ организма и участвовать в обеспечении процесса. Это разные стороны его значения, их важно не смешивать. Так ответ будет содержать две конкретные функции.
Вспомним, что кислород входит в состав воды и многих других веществ организма. Значит, он необходим не только для работы отдельной системы, но и как часть состава клеток и тканей. Эту роль можно указать первой.
Теперь назовём вторую роль: кислород нужен для клеточного дыхания. В ходе этого процесса клетки получают энергию из питательных веществ. Это отдельная функция, не сводящаяся к присутствию кислорода в молекулах.
Ответ. Кислород жизненно важен, потому что входит в состав воды и многих веществ организма, а также необходим для клеточного дыхания.
Задача 2. Сравните биологическое значение серы и селена: укажите, в составе каких веществ они встречаются и почему их нельзя считать взаимозаменяемыми.
Для сравнения сначала укажем, в каких веществах встречается каждый элемент. Сера входит в состав некоторых аминокислот и белков, а селен — некоторых белков и ферментов. Это показывает, что элементы связаны с определёнными компонентами организма.
Затем сопоставим их роль без предположения, что она одинакова. Сера присутствует в аминокислотах, из которых строятся белки, а селен входит в состав некоторых белков и ферментов, обеспечивающих реакции. Одинаковое слово «белки» не означает, что речь идёт об одних и тех же молекулах или функциях.
Наконец, проверим вывод: принадлежность к одной группе не делает элементы заменителями друг друга. Их атомы участвуют в составе разных веществ и выполняют разные роли. Поэтому наличие серы не отменяет потребности в селене и наоборот.
Ответ. Сера встречается в некоторых аминокислотах и белках, селен — в некоторых белках и ферментах. Они не взаимозаменяемы, потому что связаны с разными веществами и функциями организма.
Задача 3. В описании рациона указано недостаточное поступление селена, а в другом случае — его избыточное поступление. Объясните, почему оба случая могут быть неблагоприятны для организма.
Сначала определим, к какой группе относится селен: это микроэлемент, нужный в малом количестве. Следовательно, для нормальной работы организма важно получать его в подходящем количестве. Сам факт, что элемент необходим, не означает, что чем его больше, тем лучше.
При недостаточном поступлении организму может не хватать селена для образования некоторых белков и ферментов. Тогда связанные с ними процессы могут протекать неправильно. Недостаток неблагоприятен именно потому, что элемент выполняет нужную функцию.
При избытке возникает другая проблема: слишком большое количество микроэлемента способно оказывать вредное действие. Значит, недостаток и избыток вредны по разным причинам, хотя речь идёт об одном элементе. В ответе следует упомянуть обе стороны потребности.
Ответ. Недостаток селена может нарушать работу зависящих от него белков и ферментов, а избыток способен вредить организму. Селен необходим, но только в малых количествах.
Первая ошибка — считать, что все халькогены необходимы организму, раз они находятся в одной группе. Так рассуждают, перенося сходство строения атомов на биологические функции. Проверка: для каждого элемента отдельно назовите подтверждённую роль, а не выводите её из положения в таблице.
Вторая ошибка — сводить значение кислорода только к дыханию. Это происходит, если помнить лишь о клеточном дыхании и забывать о составе веществ. Проверьте себя вопросом: входит ли кислород в воду и другие вещества организма? Если да, ответ должен включать и эту сторону его роли.
Третья ошибка — считать селен безвредным при любом количестве, потому что он нужен организму. Необходимость микроэлемента иногда ошибочно принимают за разрешение получать его без ограничений. Самопроверка проста: вспомните, что селен требуется в малом количестве и его избыток может быть вреден.
Четвёртая ошибка — приписывать теллуру и полонию полезную функцию по аналогии с кислородом, серой и селеном. Такая аналогия кажется убедительной из-за общей группы, но она не доказывает биологическую необходимость. Проверьте утверждение: установлена ли для элемента конкретная необходимая функция? Для теллура и полония её не устанавливают.
Чтобы разбираться в халькогенах, нужно уметь находить элементы в периодической системе и различать химический элемент, простое вещество и химическое соединение. Эти понятия помогают не путать атомы кислорода с веществами, в состав которых они входят. Тема также опирается на знания биологии о белках, аминокислотах, ферментах и клеточном дыхании. Представление о биогенных элементах пригодится при изучении состава организмов, питания и влияния химических веществ на здоровье.
Почему халькогены имеют разные биологические функции, хотя находятся в одной группе?
Элементы одной группы имеют сходные особенности внешнего электронного строения, но их атомы различаются размером и свойствами. В организме каждый элемент взаимодействует с веществами по-своему, поэтому его роль нельзя выводить только из номера группы.
Зачем организму нужен кислород, кроме участия в дыхании?
Кислород входит в состав воды, которая составляет значительную часть организма. Он также присутствует во многих органических и неорганических веществах клеток.
В каких веществах организма встречается сера?
Сера входит в состав некоторых аминокислот — составных частей белков. Поэтому её можно обнаружить в белках организма, в том числе в белках, от свойств которых зависит работа клеток.
Почему селен необходим только в малых количествах?
Селен нужен для работы некоторых белков и ферментов, но организму требуется его совсем немного. При недостатке нарушается нормальное протекание процессов, а избыток может быть токсичным.
Есть ли установленная биологическая роль у теллура и полония?
Необходимая функция теллура и полония в организме не установлена. Их соединения могут быть токсичны, поэтому сходство с кислородом, серой и селеном не означает, что эти элементы полезны или нужны организму.
Биологические функции халькогенов (Дополнительный материал к § 15)
